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湖?南?農(nóng)?業(yè)?大?學(xué)
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)?
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立式加工中心機(jī)械手的設(shè)計(jì)
THE?DESIGN?OF?VERTICAL?MACHINING?CENTER?MANIPULATOR
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學(xué)生姓名：
學(xué)????號(hào)：
年級(jí)專業(yè)及班級(jí)：2009級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化(2)班
指導(dǎo)老師及職稱：?副教授
學(xué)????院：工學(xué)院
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湖南·長(zhǎng)沙
提交日期：2013?年?5?月
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湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
誠(chéng)?信?聲?明
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本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
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?????????????????????????畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名：??
?????????????????????????????????2013??年??5?月??26??日
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目錄
摘要………………………………………………………………………1
關(guān)鍵詞……………………………………………………………………1
1前言……………………………………………………………………1
2換刀機(jī)械手的相關(guān)介紹………………………………………………2
2.1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程………………………………………………2
2.2數(shù)控加工中心基本功能……………………………………………3
2.3加工中心組成部分…………………………………………………3
2.3.1刀庫(kù)………………………………………………………………3
2.3.2刀具交換裝置……………………………………………………4
2.3.3運(yùn)刀裝置…………………………………………………………4
2.3.4刀具編碼裝置……………………………………………………5
2.4刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)及定位…………………………………………………5
2.5數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………………6
2.6 ATC裝置分類………………………………………………………6
2.7 ATC裝置換刀速度比較……………………………………………7
3換刀機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)…………………………………………8
3.1設(shè)計(jì)任務(wù)……………………………………………………………8
3.2機(jī)械手的平穩(wěn)性……………………………………………………9
3.2.1影響平穩(wěn)性以及定位精度因素…………………………………9
3.2.2機(jī)械手運(yùn)動(dòng)特性…………………………………………………9
3.3機(jī)械手運(yùn)動(dòng)特性分類………………………………………………10
3.4開關(guān)型機(jī)械手的速度及位置控制…………………………………11
3.5機(jī)械傳動(dòng)型機(jī)械手速度及位置控制………………………………11
3.6機(jī)械手類型確定……………………………………………………11
3.7驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇………………………………………11
3.7.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇…………………………………………………11
3.7.2電控系統(tǒng)的選擇…………………………………………………12
4總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………14
4.1刀爪部分設(shè)計(jì)………………………………………………………14
4.2機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)…………………………………………………15
4.2.1臂部防止偏重……………………………………………………16
4.2.2加強(qiáng)臂部剛度……………………………………………………16
4.2.3改進(jìn)緩沖裝置和提高配合精度…………………………………16
4.2.4采取的措施………………………………………………………16
4.3機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………18
5運(yùn)動(dòng)及其動(dòng)力計(jì)算…………………………………………………………20
5.1選用異步電機(jī)的方法……………………………………………………20
5.2錐齒輪的設(shè)計(jì)及計(jì)算………………………………………………………21
5.2.1確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值…………………………………………………21
5.2.2錐齒輪部分的計(jì)算……………………………………………………22
5.3錐齒輪軸的設(shè)計(jì)及其計(jì)算…………………………………………………23
5.3.1錐齒輪設(shè)計(jì)及校核……………………………………………………23
5.3.2確定各軸段直徑和長(zhǎng)度……………………………………………24
5.4刀臂的彎曲變形…………………………………………………28
6換刀過(guò)程………………………………………………………………31
7結(jié)論……………………………………………………………………35
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………35
致謝………………………………………………………………………36
附錄………………………………………………………………………36
立式加工中心機(jī)械手的設(shè)計(jì)
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）
摘 要：加工中心是指在一次裝卡中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)銑削、鉆孔、鏜孔、鉸孔、攻絲等多工序的數(shù)控機(jī)床。更為明確的說(shuō)法是：加工中心就是自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床。這就把加工中心和自動(dòng)換刀數(shù)控車床和車削中心區(qū)別開來(lái)。
加工中心區(qū)別于別的數(shù)控鏜銑床的主要特點(diǎn)就在于它具有根據(jù)工藝要求自動(dòng)更換所需刀具的功能。
加工中心的自動(dòng)換刀系統(tǒng),通常是由刀庫(kù)和機(jī)械手組成,它是加工中心的象征,又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；加工中心；自動(dòng)換刀
The Design of Vertical Machining Center Manipulator
Student:Hu qian
Tutor:Zhang lan
(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract: Machining Center is installed in a card, to achieve automatic milling, drilling, boring, Reaming, Tapping and other processes of CNC machine tools. A more explicit statement of Machining Center is the automatic tool change CNC milling machines. This brings the processing center and automatic tool change CNC lathe and turning centers to distinguish.
Machining Center is different from other CNC milling machines to the main features is that it has under the technological requirements for automatic tool change function. Automatic Tool Change (ATC) function.
Machining Center, ATC system is usually a knife and the composition manipulator, it is a symbol of the processing center. Machining Center is the key to success.
Keywords: Robot; Processing Center; Automatic Tool Changer
1 前言
隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動(dòng)化，已越來(lái)越引起人們的重視。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率；可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
機(jī)械手已被廣泛用于航空、航天以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，并取得較好的效果?，F(xiàn)今的工業(yè)機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩類。我國(guó)目前研制的工業(yè)機(jī)械手大多還是專用機(jī)械手。該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單，專用性強(qiáng)，僅附屬于某臺(tái)機(jī)床。雖然其有著通用機(jī)械手無(wú)法比擬的批量大，對(duì)某些設(shè)備（或者機(jī)加零件）的加工精確性高的優(yōu)點(diǎn)，但就目前來(lái)看，專用機(jī)械手存在著適應(yīng)性不強(qiáng)的弊端。這就要對(duì)其進(jìn)行必要的改造，使其適應(yīng)未來(lái)的工業(yè)發(fā)展的需要。由于通用機(jī)械手改變工作程序較方便，特別適用于多品種、小批量的生產(chǎn)。通用機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用只有三十年的歷史，但這些裝置在國(guó)外得到相當(dāng)重視。所以設(shè)計(jì)生產(chǎn)使用數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心一類的較為高級(jí)的機(jī)加設(shè)備是迫在眉睫的。雖然目前我國(guó)的數(shù)控加工中心等大型設(shè)備還是依賴進(jìn)口，但相信不久的將來(lái)我國(guó)必然會(huì)設(shè)計(jì)研制出自己的設(shè)備，這需要我們所有人的不懈努力。
這次設(shè)計(jì)的換刀機(jī)械手的主要任務(wù)是，完全模擬人手的換刀動(dòng)作，給機(jī)床主軸提供相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊、放松刀具的動(dòng)作。
2 換刀機(jī)械手的相關(guān)介紹
2.1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程
回顧數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段，六代的發(fā)展歷程。第一個(gè)階段叫做NC階段，經(jīng)歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。自1970年開始小型計(jì)算機(jī)開始用于數(shù)控系統(tǒng)就進(jìn)入了第二個(gè)階段，叫做CNC階段，成為第四代數(shù)控系統(tǒng)：從1974年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性都得到了根本性的提高。
實(shí)際上從20世紀(jì)末期直到今天，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)控系統(tǒng)以及以前各代都是一種專用封閉的系統(tǒng)，而第六代——開放式數(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
2.2 數(shù)控加工中心的基本功能
帶有自動(dòng)換刀刀具交換裝置（ATC Automatic Tool Change）的數(shù)控機(jī)床稱為加工中心。它通過(guò)刀具的自動(dòng)交換，可以一次裝夾完成多道工序的加工，實(shí)現(xiàn)了工序的集中和工藝的復(fù)合，從而縮短了輔助加工時(shí)間，提高了機(jī)床的效率，減少了零件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，并為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化發(fā)展需求。加工中心是目前數(shù)控機(jī)床中產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的數(shù)控機(jī)床。
帶有刀具自動(dòng)交換裝置、能一次集中完成多種工序加工的數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了中、小批量加工自動(dòng)化，改善了勞動(dòng)條件。此外，它還具有生產(chǎn)率高、加工精度穩(wěn)定、產(chǎn)品成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步發(fā)揮這些優(yōu)點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床遂向“工序集中”，即一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在一次裝夾零件后能完成多任務(wù)序加工的數(shù)控機(jī)床（即加工中心）方面發(fā)展。
鉆、鏜、銑、車等單功能數(shù)控機(jī)床只能分別完成鉆、鏜、銑、車等作業(yè)，而在機(jī)械制造工業(yè)中，大部分零件都是需要多任務(wù)序加工的。在單功能數(shù)控機(jī)床的整個(gè)加工過(guò)程中，真正用于切削的時(shí)間只占30％左右，其余的大部分時(shí)間都花費(fèi)在安裝、調(diào)整刀具、搬運(yùn)、裝卸零件和檢查加工精度等輔助工作上。在零件需要進(jìn)行多種工序加工的情況下，單功能數(shù)控機(jī)床的加工效率仍然不高。加工中心一般都具有刀具自動(dòng)交換功能，零件裝夾后便能一次完成鉆、鏜、銑、、攻絲等多種工序加工。
2.3 加工中心的組成部分
加工中心分兩大部分：數(shù)控機(jī)床和刀具自動(dòng)交換裝置。刀具自動(dòng)交換裝置應(yīng)能滿足以下幾個(gè)方面的要求： ①換刀時(shí)間短； ②刀具重復(fù)定位精度高； ③識(shí)刀、選刀可靠，換刀動(dòng)作簡(jiǎn)單；④ 刀庫(kù)容量合理，占地面積小，并能與主機(jī)配合，使機(jī)床外觀完整； ⑤刀具裝卸、調(diào)整、維護(hù)方便。
?刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)由刀庫(kù)、刀具交換裝置、刀具傳送裝置、刀具編碼裝置、識(shí)刀器等五個(gè)部分組成。
2.3.1 刀庫(kù)
刀庫(kù)是存貯加工所需各種類型刀具的倉(cāng)庫(kù)。它是刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)中的重要組成部分，具有接受刀具傳送裝置送來(lái)的刀具和將刀具給予刀具傳送裝置的功能。它的容量、布局和具體結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)加工中心的總體布局和性能有很大的影響，按其結(jié)構(gòu)、形狀可分為以下六種：① 圓盤式刀庫(kù)，又分為軸向式（刀具中心線與圓盤中心線平行）、徑向式（刀具中心線與圓盤中心線垂直）和多盤式（在一根旋轉(zhuǎn)軸上分設(shè)幾層圓盤刀庫(kù)）。 ②轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)，又分傾斜式和水平式。 ③鼓輪式刀庫(kù)。④ 鏈?zhǔn)降稁?kù)。 ⑤格子式刀庫(kù)。 ⑥直線式刀庫(kù)。 應(yīng)當(dāng)根據(jù)被加工零件的工藝要求合理的確定刀庫(kù)的存儲(chǔ)量。
根據(jù)對(duì)車床、銑床和鉆床的所需刀具的數(shù)的統(tǒng)計(jì)表明，在加工過(guò)程中經(jīng)常使用的刀具數(shù)目并不很多，對(duì)于鉆削加工，用14把不同的規(guī)格的刀具就可以完成約80%的加工，即使要求完成90%的工件加工，用20把刀具也就足夠了。對(duì)于銑削加工，需要的刀具更少，用4把不同規(guī)格的銑刀就能完成約90%加工，用5把不同規(guī)格的銑刀可以加工95%的工件。因此從使用角度來(lái)看，刀庫(kù)的存儲(chǔ)量一般為20~40把較為合適，多的可達(dá)60把刀，超過(guò)60把刀的很少。
2.3.2 刀具交換裝置
它的職能是將機(jī)床主軸上的刀具與刀庫(kù)或刀具傳送裝置上的刀具進(jìn)行交換，其動(dòng)作循環(huán)為：拔刀─新舊刀具交換─裝刀。換刀機(jī)械手種類繁多，可以說(shuō)每個(gè)廠家噢都可以推出自己的機(jī)械手，基本上換刀裝置按交換方式又分為兩類。
無(wú)機(jī)械手換刀：由刀庫(kù)與機(jī)床主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀。在這類裝置中，刀庫(kù)一般為格子式，裝在工作臺(tái)上。換刀時(shí)，先使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將使用過(guò)的舊刀送回刀庫(kù)，然后再使工作臺(tái)與主軸相對(duì)運(yùn)動(dòng)一次，從刀庫(kù)中取出新刀。
采用機(jī)械手換刀：機(jī)械手刀具交換裝置，有單臂單手式機(jī)械手、回轉(zhuǎn)式單臂雙機(jī)械手、雙臂機(jī)械手、多手式機(jī)械手。特別是雙臂機(jī)械手刀具交換裝置具有換刀時(shí)間短、動(dòng)作靈活可靠等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。雙臂機(jī)械手中最常用的幾種結(jié)構(gòu)有：鉤手；抱手；伸縮手；叉手。雙臂機(jī)械手進(jìn)行一次換刀循環(huán)的基本動(dòng)作為：抓刀（手臂旋轉(zhuǎn)或伸出，同時(shí)抓住主軸和刀庫(kù)里的刀具）；拔刀（主軸松開，機(jī)械手同時(shí)將主軸和刀庫(kù)中的刀具拔出）；換刀（手臂轉(zhuǎn)180°，新、舊刀交換）；插刀（同時(shí)將新刀插入主軸，舊刀插入刀庫(kù)，然后主軸夾緊刀具）﹔縮回（手臂縮回到原始位置）。機(jī)械手的手爪，大都采用機(jī)械鎖刀的方式，有些大型的加工中心，也有采用機(jī)械加液壓的鎖刀方式，以保證大而重的刀具在換刀中不被甩出。
2.3.3 運(yùn)刀裝置
當(dāng)?shù)稁?kù)容量較大、布置得離機(jī)床較遠(yuǎn)時(shí)，就需要安排兩只機(jī)械手來(lái)完成新舊刀的交換動(dòng)作，一只靠近刀庫(kù)，稱為后機(jī)械手，完成拔新刀、插舊刀的動(dòng)作；一只靠近主軸，稱為前機(jī)械手，完成拔舊刀、插新刀的動(dòng)作。在前后機(jī)械手之間則設(shè)有運(yùn)刀裝置。它一方面將前機(jī)械手從主軸上拔出的舊刀運(yùn)回刀庫(kù)旁，以便后機(jī)械手將該舊刀拔出并插回刀庫(kù)；另一方面則將后機(jī)械手從刀庫(kù)中拔出的新刀運(yùn)到主軸旁，以便前機(jī)械手將該新刀拔出并插入主軸。運(yùn)刀器的職能就是在前后機(jī)械手之間來(lái)回運(yùn)送新、舊刀具
2.3.4 刀具編碼裝置
將加工所需的刀具自動(dòng)地從刀庫(kù)中選擇出來(lái)稱為自動(dòng)選刀，有順序選擇固定地址選擇和編碼選擇三種方式。
順序選擇方式： 將在加工中心上加工某一零件所需的全部刀具按工序先后依次插入刀庫(kù)中。加工時(shí)按加工順序一一取用。采用這種選刀方式不需要識(shí)刀器，刀庫(kù)結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置都非常簡(jiǎn)單，每次換刀時(shí)控制刀庫(kù)轉(zhuǎn)位一次即可。采用順序選刀方式時(shí)，為某一個(gè)工件準(zhǔn)備的刀具，不能在其他工件中重復(fù)使用，這在一定程度上限制了機(jī)床的加工能力。
固定地址選擇方式：這是一種對(duì)號(hào)入座的方式，又稱為刀座編碼方式。這種方式是對(duì)刀庫(kù)的刀座進(jìn)行編碼，并將與刀座編碼相對(duì)應(yīng)的刀具一一放入指定的刀座中。然后根據(jù)刀座的編碼選取刀具。該方式使刀柄的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，刀具可以做得較短，但刀具不能任意安放，一定要插入配對(duì)的刀座中。與順序選擇方式相比較，刀座編碼方式最突出的優(yōu)點(diǎn)是刀具可以在加工過(guò)程中多次使用。
編碼選擇方式： 將加工某一項(xiàng)零件所需的全部刀具（或刀座）都預(yù)先編上代碼，存放在刀庫(kù)中。加工時(shí)根據(jù)程序?qū)ふ宜枰牡毒摺Ｓ捎诿堪训毒叨加凶约旱拇a，它們?cè)诘稁?kù)中的位置和存放順序可以與加工順序無(wú)關(guān)。每把刀具都可被多次重復(fù)使用。刀具編碼有多種方式，常用的有三種。刀具編碼：在每一把刀具的尾部都用編碼環(huán)編上自己的號(hào)碼。選刀時(shí)根據(jù)穿孔帶所發(fā)出的刀號(hào)指令任意選擇所需的刀具。
由于每把刀具都有自己確定的代碼，無(wú)論將刀具放入刀庫(kù)的哪個(gè)刀座中都不會(huì)影響正確選刀。采用這種編碼方式可簡(jiǎn)化換刀動(dòng)作和控制線路，縮短換刀時(shí)間。這種編碼現(xiàn)已獲廣泛應(yīng)用。刀座編碼：在刀庫(kù)的每一個(gè)刀座上用編碼板編碼。這種編碼方式的優(yōu)點(diǎn)是刀柄不會(huì)因尾部有編碼環(huán)而增加長(zhǎng)度﹔缺點(diǎn)是刀具必須對(duì)號(hào)入座，換刀時(shí)間長(zhǎng)。 編碼鑰匙：預(yù)先給每把刀具都系上一把表示該刀具代碼的編碼鑰匙。
2.4 刀庫(kù)的驅(qū)動(dòng)及定位
刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)可分為電氣驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種方式。電氣驅(qū)動(dòng)可以將伺服半閉環(huán)系統(tǒng)用作驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，也可采用系統(tǒng)的PC 直接發(fā)出運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)。液壓驅(qū)動(dòng)仍需電氣信號(hào)的配合，PC 給出運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，一般通過(guò)電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)前級(jí)控制，只是執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液動(dòng)馬達(dá)。在執(zhí)行ATC 過(guò)程時(shí)，除了主軸頭的定向及主軸箱的定位外，為確保所更換的刀具準(zhǔn)確地被機(jī)械手抓住，所以刀庫(kù)的定位也是必要的功能。電氣驅(qū)動(dòng)時(shí)可在電機(jī)上安裝位置編碼器進(jìn)行定位，也可以在抓刀位置安裝接近開關(guān)來(lái)檢測(cè)定位。液動(dòng)結(jié)構(gòu)的刀庫(kù)往往采用機(jī)電結(jié)合式的銷定位方式。半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的定位精度較高，其它幾種方式也足以滿足刀庫(kù)定位精度的要求。
2.5 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)際上，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)正朝著高速度高精度化、高可靠性、多功能化、智能化、集成化、具有開放性、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)、并聯(lián)機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。我國(guó)的數(shù)控機(jī)床的可供品種已超過(guò)300種。其中數(shù)控機(jī)床占40%，加工中心占27%，其它品種為重型機(jī)床、鏜銑床、電加工機(jī)床、磨床、齒輪加工機(jī)床等。生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品的企業(yè)共計(jì)300余家，產(chǎn)品品種包括八大類2000種以上。目前我國(guó)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家共有100多家，其中能批量生產(chǎn)的企業(yè)有42家，平均年產(chǎn)量40~50臺(tái)，幾家重點(diǎn)企業(yè)年產(chǎn)量可以達(dá)到400~700臺(tái)我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)分為三種類型，經(jīng)濟(jì)型、普及型、和高級(jí)型。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中，我國(guó)具有很大優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前每年數(shù)千臺(tái)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床和電加工機(jī)床的市場(chǎng)上，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)占據(jù)了絕大份額。在普及型數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)上，我們正在取得進(jìn)展。當(dāng)然，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)在市場(chǎng)的開拓上仍要盡更大的力量。新開發(fā)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到國(guó)際80年代中期水平，部分達(dá)到90年代水平，在技術(shù)上也有所突破，如高速主軸制造技術(shù)、快速進(jìn)給、快速換刀、柔性制造、快速成型制造技術(shù)等為下一代國(guó)產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
2.6 ATC裝置的分類
自動(dòng)刀具交換裝置（ATC）通常由機(jī)械手和刀庫(kù)組成，它們?cè)诘毒呓粨Q過(guò)程中的各種動(dòng)作和步序取決于機(jī)械手的類型和刀具還回刀庫(kù)的方式。
目前比較廣泛使用的ATC裝置中，按其機(jī)械手的類型來(lái)分有“無(wú)手式”（主要靠進(jìn)給軸和刀庫(kù)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具的交換）、“單爪式”（機(jī)械手上只有一個(gè)手爪，換刀時(shí)先將主軸上的刀具送回刀庫(kù)；再將刀庫(kù)中的刀具裝入主軸）和“雙爪式”（換刀時(shí)一個(gè)手爪從刀庫(kù)中取新刀，另一手爪從主軸上卸原刀）。其中“雙爪式”又可分為“同步式”和“分步式”兩種，前者是指取刀和卸刀是在同一步完成的，新刀裝入主軸和原刀還回刀庫(kù)也是在另一步同時(shí)完成的；而后者則是分成多步完成上述動(dòng)作的。
“無(wú)手式”ATC裝置的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，“單爪式”其次，“同步雙爪式”的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而“分步雙爪式”的結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。
從刀具還回刀庫(kù)的方式來(lái)看，ATC裝置可以分為“固定刀位式”、“隨機(jī)刀位式”和“混合還刀式”三種。“固定刀位式”是指機(jī)床使用的刀具在刀庫(kù)中都有自己固定的位置（刀套），也就是說(shuō)，從主軸上換下來(lái)的刀具必須還回原來(lái)的刀套位置?！半S機(jī)刀位式”則是指還回刀庫(kù)的刀具位置是任意的（就近）。而”混合還刀式”則是大直徑刀具采用“固定刀位式”還刀，標(biāo)準(zhǔn)刀具采用“隨機(jī)刀位式”還刀。
“固定刀位式”還刀的優(yōu)點(diǎn)是刀具在刀庫(kù)中的位置是固定的，操作人員對(duì)刀庫(kù)中的刀具分布狀況一目了然，他們可以根據(jù)加工程式中T代碼后面的數(shù)字直接把刀具裝入相應(yīng)編號(hào)的刀套中，程編人員也可以根據(jù)刀具在刀庫(kù)中的分布情況直接在加工程式中編寫T指令；操作者也不必在手動(dòng)裝刀後檢查和修改“刀套/刀號(hào)表”，給用戶帶來(lái)了很大的方便。
此外，由于刀具位置是固定的（刀具號(hào)等于刀套號(hào)），操作不必在刀庫(kù)中設(shè)立專用的大直徑刀具區(qū)，只要不在大直徑刀具的二個(gè)相鄰刀位裝入刀具，即可保證運(yùn)行的安全，從而提高了刀庫(kù)的刀位利用率。
“固定刀位式”還刀的缺點(diǎn)是刀庫(kù)在還刀前還要為尋找原刀位作一次旋轉(zhuǎn)定位，影響了還刀的速度。
“隨機(jī)刀位式”還刀的優(yōu)點(diǎn)是還刀速度快（刀庫(kù)不需作第二次旋轉(zhuǎn)定位），缺點(diǎn)是刀庫(kù)的現(xiàn)行刀具分布狀況不直觀（刀套中的刀具號(hào)是隨時(shí)變化的），操作者必須查找“刀套/刀號(hào)表”后才能確定刀庫(kù)中的刀具位置是否與加工程式中的T指令（刀具號(hào)）一致；手動(dòng)裝刀后，必須認(rèn)真檢查和修改“刀套/刀號(hào)表”，否則就可能造成“錯(cuò)刀”事故。
此外，如果使用了大直徑刀具，還要設(shè)立大直徑刀具區(qū)，刀庫(kù)的刀位利用率就會(huì)降低。
2.7 ATC裝置的換刀速度比較
圖1 a描述了“無(wú)手”或“單爪”式ATC裝置的刀具交換過(guò)程，這類ATC裝置只能采用“固定刀位式”還刀，必須先將主軸上的原用刀具還回刀庫(kù)，再轉(zhuǎn)動(dòng)刀庫(kù)找到新刀后，將它裝入主軸。
雖然這類裝置的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但是整套動(dòng)作都占用了加工時(shí)間，時(shí)間分配也不合理，所以換刀速度最低。因?yàn)槠渚窒扌?，所以并沒(méi)有得到廣泛的使用。
圖1 b和圖1 c描述了同步雙爪式ATC裝置的刀具交換過(guò)程，前者采用“固定刀位式”還刀（大直徑刀具時(shí)）， 后者采用“隨機(jī)刀位式”還刀（標(biāo)準(zhǔn)刀具時(shí)）。在這種ATC裝置中從刀庫(kù)取刀和從主軸卸刀是在同一步進(jìn)行的，在采用“隨機(jī)刀位式”還刀時(shí)，將新刀裝入主軸和將原刀還回刀庫(kù)可以連續(xù)在同一步進(jìn)行，所以節(jié)省了時(shí)間，加快了換刀速度。
這類ATC裝置還可以用在加工程式中提前編寫T指令的方法，使刀庫(kù)選刀動(dòng)作提前完成（不占用加工時(shí)間），來(lái)提高換刀的速度。但是，這類裝置往往要求刀庫(kù)隨主軸一起移動(dòng)，所以刀庫(kù)的容量不能很大，刀具的重量不能太重，只能適合于中小型加工中心配用。
圖1 d描述了分步雙爪式ATC裝置的刀具交換過(guò)程（固定刀位法），這種ATC裝置的機(jī)械手左、右手爪是分步動(dòng)作的，即左爪用于取刀和還刀（刀庫(kù)側(cè)），右爪用于卸刀和裝刀（主軸側(cè)），取刀時(shí)將新刀從刀庫(kù)送到換刀準(zhǔn)備位；換刀時(shí)，將主軸上的原刀卸下后裝入新刀（左、右爪的刀具交換）；還刀時(shí)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)到原主軸刀具刀位后，左爪將原刀還回刀庫(kù)。雖然這種ATC裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換刀動(dòng)作較多，但因?yàn)閮蓚€(gè)手爪的動(dòng)作可以分步進(jìn)行，所以經(jīng)優(yōu)化后，可以將“選刀”、“取刀”、“找還刀位”和“還刀”四組動(dòng)作安排在加工時(shí)間進(jìn)行，這樣大大地縮短了換刀周期，提高了換刀速度，同時(shí)還保持了”固定刀位式”還刀的許多優(yōu)點(diǎn)。成為一種比較受操作者歡迎的自動(dòng)換刀裝置。
圖1 幾種ACT裝置的換刀時(shí)序圖
Fig. 1 Several ACT the device tool change timing diagram
3 換刀機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)
本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：自動(dòng)換刀機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)數(shù)控鏜銑床的自動(dòng)換刀，需
要換的刀具主要是BT40型刀柄，需要實(shí)現(xiàn)的工作是抓刀—換刀—松刀的動(dòng)作。
主要技術(shù)參數(shù)：刀具最大重量6kg，雙臂回轉(zhuǎn)式換刀，刀臂數(shù)量和長(zhǎng)度以及直徑主要依據(jù)配套刀庫(kù)的設(shè)計(jì)要求。換刀時(shí)間2.5S。
3.2 機(jī)械手的平穩(wěn)性
工業(yè)生產(chǎn)要求機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)多種工藝手段加工方法，工作速度快，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精度高，并為滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動(dòng)化發(fā)展需求，應(yīng)注意其影響因素，設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)，以滿足要求。
3.2.1 影響平穩(wěn)性以及定位精度的因素
（1）慣性力的影響
圖 2 慣性曲線
Fig. 2 Inertia curve
機(jī)械手速度突變，加（減）速度不連續(xù)，會(huì)產(chǎn)生巨大的慣性沖擊力，以至使工件滑動(dòng)、部件松動(dòng)、零件破裂。定位時(shí)，大的減速度使臂部往復(fù)振動(dòng)，直接影響定位精度。因此，應(yīng)根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使加（減）速度按所需的運(yùn)動(dòng)歸路變化，同時(shí)，在保證剛度的前提下，減輕機(jī)械手運(yùn)動(dòng)件的重量。
（2）結(jié)構(gòu)剛度的影響
零件結(jié)構(gòu)剛度性差，配合間隙大及整機(jī)固有頻率低時(shí)，受較小慣性沖擊，就發(fā)生振動(dòng)。不但降低定位精度，而且降低機(jī)械手壽命。應(yīng)選擇合理結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械手固有頻率及承受慣性載荷的能力。
（3）定位方法的影響
常用的定位方法中，電氣開關(guān)的定位精度最低，伺服定位較高，機(jī)械擋塊的定位最高。
（4）控制系統(tǒng)的影響
電控系統(tǒng)的誤差，閥類泄漏，檢測(cè)元件失靈，擋塊偏移等會(huì)降低定位失靈。
（5）驅(qū)動(dòng)源的影響
液壓、氣壓、電壓及油溫波動(dòng)都會(huì)降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時(shí)，用蓄能器等穩(wěn)定液壓、氣壓、電壓，用加熱器和冷卻器控制油溫。
3.2.2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性
深入分析機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，有利于根據(jù)工作條件選擇適宜的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。下面為我們所選工業(yè)機(jī)械手所具有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在減速較大時(shí)的情形。
圖 3 運(yùn)動(dòng)特性曲線
Fig .3 Movement characteristic curve
按上圖的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手的速度變化呈等加速或不等加速運(yùn)動(dòng)，其減速過(guò)程亦分為等減速運(yùn)行和不等減速運(yùn)行，在呈等加速運(yùn)行，而不等減速運(yùn)行時(shí)，由于速度行程短，故有利于提高機(jī)械手的工作速度。
特點(diǎn)：速度變化基本上連續(xù)，運(yùn)動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，可以滿足高速、平穩(wěn)和定位精度高的要求。
3.3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)特性的分類
氣動(dòng)機(jī)械手：氣動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用氣路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用氣缸端部節(jié)流緩沖裝置、氣路節(jié)流緩沖回路、液壓緩沖氣等。定位系統(tǒng)采用機(jī)械擋塊或多點(diǎn)定位幾機(jī)構(gòu)定位精度。
液壓機(jī)械手：液壓機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制采用系統(tǒng)油缸端部節(jié)流緩沖裝置及緩沖回路、減壓節(jié)流繼續(xù)能緩沖系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等。定位系統(tǒng)采用關(guān)閉電磁換向閥定位精度、機(jī)械擋塊定位精、伺服系統(tǒng)定位精度度等。
電動(dòng)機(jī)械手：電動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用電路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用反接制動(dòng)電路、減速電路、凸輪或連桿機(jī)構(gòu)等。定位系統(tǒng)采用電磁制動(dòng)器、脈沖電路定位精度、機(jī)械擋塊定位精度等。
機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)械手：機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)械手的加速或調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用凸輪連桿機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)采凸輪曲線和連桿機(jī)構(gòu)。定位系統(tǒng)采用凸輪基圓及凸輪頂點(diǎn)、連桿極限位置。
3.4 開關(guān)型機(jī)械手的速度及位置控制
用電氣開關(guān)、換向閥、節(jié)流閥和機(jī)械擋塊等來(lái)控制的機(jī)械手稱為開關(guān)型機(jī)械手。其中，機(jī)械擋塊定位是在減速后，驅(qū)動(dòng)壓力將運(yùn)動(dòng)件壓在機(jī)械擋塊上或驅(qū)動(dòng)壓力將活塞壓靠缸蓋而定位，定位精度較高?？煞譃閱吸c(diǎn)定位或多點(diǎn)定位的擋塊機(jī)構(gòu)。
3.5 機(jī)械傳動(dòng)型機(jī)械手速度及位置控制
為了便于控制機(jī)械手的速度及位置，一些專用機(jī)械手采用凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
特點(diǎn)：工作速度可以提高而且與主機(jī)同步工作而不產(chǎn)生誤動(dòng)作。
通過(guò)以上論述和比較，選用液壓緩沖器和油缸端部緩沖的方式，定位選用機(jī)械擋塊定位。
3.6 機(jī)械手類型確定
根據(jù)以上的介紹，通過(guò)比較我確定選用電動(dòng)機(jī)械手。這樣選擇的原因主要是根據(jù)精度和成本的原因。由于是個(gè)單獨(dú)的部件大量生產(chǎn)，成本是非常主要的原因，氣動(dòng)和液壓機(jī)械手的制造精度要求非常高，成本也就高，而電動(dòng)機(jī)械手作為發(fā)展得最為完善的機(jī)械手，在精度滿足需要的同時(shí)，成本是最低的，所以選擇了電動(dòng)機(jī)械手。
3.7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的選擇
3.7.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇
機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有：液壓驅(qū)動(dòng)、電壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式，可以只用一種方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，也可采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。
機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，和機(jī)械傳動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手可以只用一種驅(qū)動(dòng)，也可以幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)見(jiàn)表1。
表1 驅(qū)動(dòng)方式的比較
Table 1 Drive way comparison
比較內(nèi)容
驅(qū)動(dòng)方式
機(jī)械傳動(dòng)
電機(jī) 驅(qū)動(dòng)
氣壓傳動(dòng)
液壓傳動(dòng)
異步機(jī)，直流電機(jī)
步進(jìn)或伺服電機(jī)
輸出力矩
輸出力矩較大
輸出力可較大
輸出力矩較小
氣體壓力小，輸出力矩小。
液體壓力高，能獲得大的輸出力
控制性能
速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步。
控制性能較差，慣性大，步易精確定位。
控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜
可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較難。
油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏。
體積
當(dāng)自由度多時(shí)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積液較大。
要減速裝置，體積較大
體積較小
體積較大
在輸出力相同的條件下體積小。
維修使用
維修使用
方便
維修使用方便
維修使用較復(fù)雜
維修簡(jiǎn)單，能在高溫，惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小。
維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火。
應(yīng)用范圍
適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速均能適用
適用于抓取重量大和速度低的機(jī)械手
可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的機(jī)械手
中小型專用通用機(jī)械手都有。
中小型專用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用。
成本
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，一般工廠可以自己制造
成本低
成本較高
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低。
液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜。
考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求，我選擇了異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。
3.7.2 電控系統(tǒng)的選擇
機(jī)械手的電控系統(tǒng)有多種類型，除專用機(jī)械手外，大多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。各控制系統(tǒng)見(jiàn)表2.
表2 控制系統(tǒng)的比較
Table 2 The control system compare
比較內(nèi)容
控制系統(tǒng)
固定系統(tǒng)
可編程序
繼電器線路
半導(dǎo)體邏輯電路
順序控制器
示數(shù)再觀成計(jì)算機(jī)
動(dòng)作程序容量
動(dòng)作程序較少
動(dòng)作程序較多
動(dòng)作順序一般為16步可擴(kuò)展為32部或更多
動(dòng)作程序較多通常為200步可擴(kuò)展更多
控制的參數(shù)
1、動(dòng)作程序
2、動(dòng)作到達(dá)的位置或時(shí)間
3、夾放信息
4、連鎖信息
這些信息固定于線路之中不能任意變動(dòng)
1、 動(dòng)作程序
2、 動(dòng)作到達(dá)的位置或時(shí)間
3、 時(shí)間信息
4、 夾放信息
5、 聯(lián)鎖信息
6、 程序終了信息
1、 動(dòng)作程序
2、 時(shí)間信息
3、 動(dòng)作應(yīng)到達(dá)位置或時(shí)間
4、 夾放信息
5、 聯(lián)鎖信息
6、 運(yùn)動(dòng)速度信息
7、 定位精度信息
制造與維護(hù)
維護(hù)簡(jiǎn)單方便體積較大，制造簡(jiǎn)單
制造簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，體積小
一般由專業(yè)廠生產(chǎn)供應(yīng)，需具有一定專業(yè)知識(shí)人員維修
線路復(fù)雜，制造，維護(hù)調(diào)整均較困難，需專業(yè)人員維修
行程檢測(cè)元件
行程開關(guān)，機(jī)械擋塊
行程開關(guān)，機(jī)械擋塊
行程開關(guān)，電位器
電位器，旋轉(zhuǎn)變壓器，光柵等
使用壽命
壽命低
壽命較高
壽命較高
壽命較高
成本
便宜
較便宜
成本較高
成本較高
使用范圍
用于動(dòng)作少，速度低的專用機(jī)械手
用于速度快節(jié)拍短的專用機(jī)械手
適用于動(dòng)作較多，速度變化多即一般機(jī)械手
動(dòng)作多，程序復(fù)雜的高級(jí)通用機(jī)械手適用
我們可設(shè)繼電器線路為方案1，半導(dǎo)體邏輯線路為方案2，順序控制器為方案3，示數(shù)再現(xiàn)成計(jì)算器為方案4。
表3設(shè)備技術(shù)評(píng)價(jià)得分
Table 3 Equipment technical evaluation score
設(shè)備的技術(shù)評(píng)價(jià)特性
方案1-4的分?jǐn)?shù)
1
2
3
4
理想的
控制通用性
范圍
制造方便
程序容量
總分?jǐn)?shù)
技術(shù)價(jià)X
2
2
3
3
10
0.625
2
2
3
2
9
0.5625
3
3
2
2
10
0.625
3
3
1
2
9
0.5625
4
4
4
4
16
1.00
表4 設(shè)備經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)得分
Table 4 Device economic evaluation score
設(shè)備的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)特性
方案1-4的分?jǐn)?shù)
1
2
3
4
理想的
成本（元件）
制造與維護(hù)成本
壽命
元件耗費(fèi)
總分?jǐn)?shù)
經(jīng)濟(jì)價(jià)Y
3
3
2
2
10
0.625
3
3
3
2
11
0.6875
2
2
2
3
9
0.5625
1
1
3
3
8
0.5
4
4
4
4
16
1.00
顯然可以知道方案1比較適合，即采用繼電器線路進(jìn)行控制。
4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 手爪部分設(shè)計(jì)
機(jī)械手手爪部分的作用是抓住和放開工件，并且要保證在抓刀后的換刀過(guò)程中保證刀具不會(huì)從手爪中飛出。目前的加工中心換刀機(jī)械手手爪使用最多的有3種機(jī)械手，分別是單臂單手式機(jī)械手，回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手，雙手式機(jī)械手。
單臂單手式機(jī)械手的特點(diǎn)是機(jī)械手只做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，主要用與刀具主軸和刀庫(kù)刀座的軸線平行的場(chǎng)合，機(jī)械手的插、拔刀運(yùn)動(dòng)和傳遞刀具的運(yùn)動(dòng)全都是直線運(yùn)動(dòng)，因?yàn)闆](méi)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，因?yàn)闊o(wú)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力，所以機(jī)械手的握刀部分可以比較簡(jiǎn)單，只需要兩個(gè)彈簧卡銷卡住刀柄即可。
回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手的兩手部成180°，手型種類很多，常見(jiàn)的有固定式雙手、可伸縮式雙手、剪式雙手等。這類的機(jī)械手可以同時(shí)抓住可拔、插位于主軸和刀庫(kù)（或運(yùn)輸裝置）里的刀具，與單臂單手式機(jī)械手相比，可以縮短換刀時(shí)間。這類機(jī)械手應(yīng)用最廣泛，形式也最多。
雙手式機(jī)械手的手臂運(yùn)動(dòng)方式有2種，一種是機(jī)械手只做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的，這樣的機(jī)械手有雙手平行式和雙手交叉式，這樣的機(jī)械手可起運(yùn)輸裝置的作用，使用于容量大、距主軸較遠(yuǎn)的。還有一種是機(jī)械手有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。這2種機(jī)械手向刀庫(kù)還回用過(guò)的刀具和選用新刀，均可在主軸正在加工時(shí)進(jìn)行，換刀時(shí)間較短。
根據(jù)以上的分析，手爪部分的結(jié)構(gòu)我選擇了回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手，而夾刀的部分我選用了鉤手的結(jié)構(gòu)，這樣選擇的原因是鉤手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝拆卸方便，不需要額外的驅(qū)動(dòng)，抓刀方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 鉤手結(jié)構(gòu)示意圖
Fig .4 Goushou structure diagram
如圖4所示，當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，鉤手與刀柄先接觸，由于機(jī)械手繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，刀柄對(duì)頂柱有擠壓作用，頂柱的后面是彈簧，并且定位頂柱沒(méi)有鎖定，所以頂柱收縮到機(jī)械手臂內(nèi)，刀柄順利進(jìn)入鉤手內(nèi)，旋轉(zhuǎn)結(jié)結(jié)束，頂柱通過(guò)彈簧的彈力恢復(fù)原位，定位頂柱鎖頂，頂柱不能移動(dòng)，卡住刀具，抓刀結(jié)束。刀具重量的范圍，由于溝手結(jié)構(gòu)的刀爪抓刀后，刀具的重量集中在刀爪內(nèi)圈的突起上，頂柱受力不到刀具重量的1/10，所以當(dāng)?shù)蹲ψサ逗?，由定位頂柱所提供的推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂柱所受到的力，所以肯定能把刀具固定住，而不用擔(dān)心刀具會(huì)在機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的時(shí)候掉下來(lái)。
4.2 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)
機(jī)械手工作中運(yùn)動(dòng)速度較高，在結(jié)構(gòu)位置應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，這樣可以提高機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，可以提高機(jī)械手適用的可靠性，并提高使用壽命。
4.2.1 臂部防止偏重
通常臂部處于懸臂的工作狀態(tài)，在設(shè)計(jì)臂部、腕部和手部結(jié)構(gòu)時(shí)，盡量使其總的重心在支撐中心，防止對(duì)支撐中心的偏重。一但偏重，將會(huì)產(chǎn)生附加的彎矩，引起導(dǎo)向裝置不均勻的磨損。在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，偏重對(duì)回轉(zhuǎn)軸附加有動(dòng)壓力，其方向不斷變化，特別是高速及速度突然變化時(shí)更加明顯，這些都將引起機(jī)械手的振動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)造成卡死。預(yù)防的措施：
（1）減輕腕部、手部重量，減少偏心載荷。可采用鋁合金制造腕部和手部。
（2）合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。
（3）某些機(jī)械手結(jié)構(gòu)上無(wú)法避免偏重，應(yīng)加強(qiáng)導(dǎo)向支撐，減輕偏重對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。
4.2.2 加強(qiáng)臂部剛度
提高臂部剛度是減少手部顫動(dòng)的關(guān)鍵，有利于提高定位精度，故常采用導(dǎo)向形式來(lái)加強(qiáng)定位。
4.2.3 改進(jìn)緩沖裝置和提高配合精度
機(jī)械手的緩沖裝置是保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和減少振動(dòng)的主要措施。
機(jī)械沖擊，它是在臂部運(yùn)動(dòng)中與定位裝置相碰撞而產(chǎn)生的。它可用緩沖裝置來(lái)消除。
4.2.4 采取的措施：
（1）提高部件的配合精度，減少間隙，有利于運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，特別是高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手更需要保證加工精度和提高配合。
（2）機(jī)械手的緊固件在運(yùn)動(dòng)中受變載荷的作用必須采用防松措施。
綜合以上所述，我在設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂的時(shí)候采用了完全中心對(duì)稱的機(jī)構(gòu)，并且通過(guò)調(diào)整螺栓來(lái)調(diào)整機(jī)械手手臂的水平。因?yàn)檎w的尺寸很小，所以機(jī)械手換
刀臂的軸的直徑比較小，并不適合采用鍵連接來(lái)傳動(dòng)，所以采取了脹縮環(huán)這一個(gè)
標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)連接機(jī)械手換刀臂和機(jī)械手換刀臂的軸。脹縮環(huán)具有非常好的對(duì)中性，并且能夠傳遞非常大的轉(zhuǎn)距，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非常適用在機(jī)構(gòu)尺寸小的結(jié)構(gòu)中。機(jī)械手換刀臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。
這個(gè)手臂的形狀，完全按照中心對(duì)稱的方式設(shè)計(jì)，但是為了適應(yīng)不同型號(hào)的手柄，兩邊的刀爪是可以拆卸調(diào)換的。
圖5機(jī)械手換刀臂
Fig. 5 Robotic tool changing arm
4.3 機(jī)械手傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
根據(jù)第3章的介紹，我選擇凸輪換刀裝置作為傳動(dòng)方案。
凸輪機(jī)械手換刀裝置是目前加工中心常用的機(jī)構(gòu)之一，與傳統(tǒng)的氣動(dòng)、液壓換刀機(jī)構(gòu)相比，它具有換刀速度快、換刀可靠、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)。近年來(lái)加工中心得到了廣泛的應(yīng)用。凸輪機(jī)械手換刀裝置通常由2個(gè)凸輪以及相應(yīng)的機(jī)構(gòu)組成，其中，一個(gè)平面凸輪通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)，用來(lái)完成“裝刀”與“ 拔刀”動(dòng)作；另一個(gè)間歇式凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)凸輪分度機(jī)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的轉(zhuǎn)位，完成“抓刀”和“換刀”動(dòng)作。
圖6 凸輪機(jī)械手換刀機(jī)構(gòu)原理圖
Fig. 6 Cam robot tool changer schematic
凸輪換刀裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，它主要由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)1、錐齒輪2、平面凸輪3、間歇式凸輪4、連桿5、機(jī)械手等部件構(gòu)成。換刀時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)1連續(xù)回轉(zhuǎn)，通過(guò)錐齒輪2與凸輪換刀裝置連接，提供裝置的動(dòng)力；并通過(guò)平面凸輪、間歇式凸輪以及相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械手的間歇運(yùn)動(dòng)。
圖6中，平面凸輪3通過(guò)錐齒輪2連接，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)5，帶動(dòng)機(jī)械手在垂直方向作左右運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在主軸上的“拔刀”、“裝刀”動(dòng)作。間歇式凸輪機(jī)構(gòu)4和平面凸輪3相連，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)滾動(dòng)盤6（共有4個(gè)滾珠）帶動(dòng)花鍵轉(zhuǎn)動(dòng)，花鍵軸帶動(dòng)機(jī)械手在水平方向上作旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)從機(jī)械手轉(zhuǎn)位，完成“抓刀”和“換刀”動(dòng)作。電氣信號(hào)盤9中安裝有若干開關(guān)，以檢測(cè)機(jī)械手實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)電氣互鎖。
平面凸輪與弧面凸輪的動(dòng)作配合曲線如圖7所示。
在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，弧面凸輪在7.5°～57.5°的范圍內(nèi)，完成機(jī)械手80°的轉(zhuǎn)位動(dòng)作。在57.5°～72.5°的范圍內(nèi)弧面凸輪、平面凸輪均不產(chǎn)生機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，用于松開刀具。
圖7 平面凸輪和弧面凸輪的運(yùn)動(dòng)過(guò)程
Fig .7 Plane cam and Globoidal, during exercise
當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到72.5°～137.5°的范圍內(nèi)，平面凸輪通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行向下運(yùn)動(dòng)；其中，在72.5°～117.5°范圍內(nèi)，只有平面凸輪帶動(dòng)機(jī)械手作向下的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手同時(shí)拔出主軸、刀庫(kù)中的刀具；在117.5°～137.5°的范圍內(nèi)，因刀具已經(jīng)脫離主軸的刀座，兩凸輪同時(shí)動(dòng)作，即：在機(jī)械手繼續(xù)向下的過(guò)程中，已經(jīng)開始進(jìn)行180°轉(zhuǎn)位，以提高換刀速度。
凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到117.5°～242.5°的范圍內(nèi)，弧面凸輪帶動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行180°轉(zhuǎn)位，完成主軸與刀庫(kù)的刀具交換；當(dāng)進(jìn)入222.5°～242.5°的范圍時(shí)，兩凸輪同時(shí)動(dòng)作，平面凸輪已經(jīng)開始通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行向上運(yùn)動(dòng)，以提高換刀速度。
從222.5°起，平面凸輪帶動(dòng)機(jī)械手向上運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手同時(shí)將主軸、刀庫(kù)中的刀具裝入刀座；這一動(dòng)作在222.5°～287.55°范圍，完成“裝刀”動(dòng)作。接著的287.55°～302.5°范圍內(nèi)，弧面凸輪、平面凸輪均不產(chǎn)生機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，機(jī)床進(jìn)行刀具的“夾緊”動(dòng)作，這一動(dòng)作由機(jī)床的氣動(dòng)或液壓機(jī)構(gòu)完成。
在302.5°～360°的范圍內(nèi)，弧面凸輪完成機(jī)械手80°反向轉(zhuǎn)位動(dòng)作，在機(jī)械手回到原位，換刀結(jié)束。
5 運(yùn)動(dòng)及其動(dòng)力計(jì)算
5.1 選用異步電動(dòng)機(jī)的方法
按負(fù)載轉(zhuǎn)矩選 加在伺服電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)距TL，應(yīng)該比電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)轉(zhuǎn)距T小。
機(jī)械手的轉(zhuǎn)矩主要是手臂重量的不平衡引起的，不平衡重量主要是手臂的形狀造成的。還有一部分的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由摩擦力所引起的。
不平衡重量Wmax，可按刀具的平均重量分別作用在機(jī)械手的手臂兩端來(lái)計(jì)算，而其重心就是刀具的重心，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑可以按刀具重心到機(jī)械手的軸的距離來(lái)計(jì)算。
摩擦力所造成的轉(zhuǎn)矩按錐齒輪的接觸面的接觸應(yīng)力來(lái)計(jì)算。轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為錐齒輪的分度圓半徑。
把如上計(jì)算的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)距TL的公式為
TL=T1/i (1)
式中 i—傳動(dòng)比，取i=5
—傳動(dòng)效率，取=50%
考慮傳動(dòng)比則
考慮到實(shí)際情況比計(jì)算時(shí)所設(shè)定條件復(fù)雜，電機(jī)額定轉(zhuǎn)距T應(yīng)為負(fù)載轉(zhuǎn)距的1.2～1.5倍，也就是
Ts>(1.2～1.5) TL (2)
根據(jù)計(jì)算得，初定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為0.225,轉(zhuǎn)數(shù)、速為300r/min，最后我選用Y132S-8三相異步電機(jī)，其額定功率為2.2KW，滿載轉(zhuǎn)速為710r/min。
5.2 錐齒輪的設(shè)計(jì)及其計(jì)算
根據(jù)表，查得機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率：
很好跑合的6級(jí)精度和7級(jí)精度齒輪傳動(dòng)（油潤(rùn)滑）
齒式聯(lián)軸器
滾動(dòng)球軸承
在本設(shè)計(jì)中取
電機(jī)經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器輸入功率：
所受的轉(zhuǎn)矩：
5.2.1 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
①試選載荷系數(shù)
②小齒輪的轉(zhuǎn)矩
③由表選取齒寬系數(shù)
④由表查得材料的彈性影響系數(shù)
⑤由圖按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
⑥由式計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
⑦由圖取接觸疲勞壽命系數(shù)；
⑧計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式得
5.2.2 錐齒輪部分計(jì)算
（1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
（2）計(jì)算圓周速度、
載荷系數(shù)
錐齒輪分度圓直徑
（3）查取齒形系數(shù)
由表查得 ；（線性插值法）
（4）查取應(yīng)力校正系數(shù)
由表查得 ；（線性插值法）
（5）由圖取彎曲疲勞壽命系數(shù)；；
（6）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式得
（7）大、小齒輪的并加以比較
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.616并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)
則有大齒輪齒數(shù)：
平均分度圓直徑
輪齒的受力分析為
錐齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算完畢。
5.3 錐齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
5.3.1 錐齒輪軸設(shè)計(jì)及校核
(1) 材料及熱處理
考慮到是高速軸以及材料后，選此軸材料為Q235-A，調(diào)質(zhì)處理。
（2）初步確定軸的最小直徑
按式初步估算軸的最小直徑。根據(jù)軸的材料和表，取
，所以根據(jù)公式有：
（3）
即
由于此軸上開有一個(gè)鍵槽，所以應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱；再者直徑小于100 mm，因此。
軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的直徑。為了使所選的軸徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需同時(shí)選取聯(lián)軸器型號(hào)。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，查表，考慮到轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷大（如織布機(jī)、挖掘機(jī)、起重機(jī)、碎石機(jī)），故取，則：
按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件并且考慮到補(bǔ)償兩軸綜合位移，查表，選用GY5凸緣聯(lián)軸器，半聯(lián)軸器的孔徑為35 mm，故取，半聯(lián)軸器與軸配合的長(zhǎng)度為60 mm。
（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于此軸是裝有聯(lián)軸器的齒輪軸，所以結(jié)構(gòu)采用外伸梁布局，外伸部分裝聯(lián)軸器，兩軸承布置在齒輪的兩端，軸系采用兩端單向固定布置，為避免因溫度升高而卡死，軸承端蓋與軸承外圈端面留出的熱補(bǔ)償間隙，軸的初步結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖8 錐齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Fig.8 The structural design of the bevel gear shaft
5.3.2 確定各軸段直徑和長(zhǎng)度
（1）段裝GICL1聯(lián)軸器，因此。半聯(lián)軸器與軸配合的孔徑長(zhǎng)度為60 mm，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，因此段的長(zhǎng)度應(yīng)比60略小一些，現(xiàn)取。
（2）為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，段的左端需要制出一軸肩，軸肩高度，即，取，因此。軸承端蓋的總寬度為20 mm（由減速器及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而定）。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于對(duì)軸承添加潤(rùn)滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面間的距離，故取。
（3) 初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承主要承受軸向載荷和徑向載荷作用，故選用圓錐滾子軸承。根據(jù)，選擇6308型軸承其尺寸為，因此。。
（4）軸上零件的周向定位
半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。根據(jù)，查表，有平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長(zhǎng)度為30mm；半聯(lián)軸器與軸的連接，選用平鍵為，半聯(lián)軸器與軸的配合為；滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是由過(guò)渡配合來(lái)保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。
（5）確定軸上圓角和倒角尺寸
參考表，取軸端倒角和各軸肩處的圓角半徑見(jiàn)零件圖。
（6）求軸上載荷并做出軸的彎矩圖和扭矩圖
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖，如下圖所示。
圖9 軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
Fig.9 The shaft structure diagram
其中
取B值為120
所以
（7）軸的水平面手力示意圖為
圖10 軸水平面受力示意圖
Fig. 10 Axis horizontal plane by the force diagram
（8）水平彎矩為
圖11 軸水平面彎矩圖
Fig. 11 Axis horizontal plane bending moment diagram
其中
（9）垂直面受力分析圖
圖12 垂直面受力示意圖
Fig.12 Vertical force diagram
（10）垂直面彎矩為
圖13 垂直面彎矩圖
Fig. 13 Vertical bending moment diagram
其中
（11）總彎矩圖為
圖14 總彎矩圖
Fig. 14 Total bending moment diagram
(12)扭矩圖
圖15 扭矩圖
Fig.15 Torque Fig.
(13)彎扭合成強(qiáng)度校核
（4）
查表得
故安全，強(qiáng)度校核完畢。
5.4 刀臂的彎曲變形
刀臂受到自身重力和刀具的重力左右，所以會(huì)有彎曲變形，如果彎曲太大，就會(huì)造成換刀時(shí)手臂和刀具的干涉，造成機(jī)器